經(jīng)坊礦3806 綜采工作面上覆巖層運移及應(yīng)力規(guī)律的研究

琚 翔

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

礦山開采過程中，會引起上覆巖層移動變形與應(yīng)力重新分布，掌握工作面上覆巖層運移及應(yīng)力規(guī)律對礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，取得了許多寶貴結(jié)論與經(jīng)驗。彭裕勤等學(xué)者[1]以張雙樓礦9102 工作面為例，通過理論分析、現(xiàn)場實測等手段對工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，9102 綜采面老頂初次來壓步距為32.4 m，周期來壓步距平均值為17.52 m。梁勇學(xué)者[2]以陽煤一礦81403 綜放工作面為研究對象，采用計算機數(shù)值模擬，對近距離煤層群條件下綜放工作面采動覆巖破壞特征以及應(yīng)力進(jìn)行研究，研究表明，近距離煤層群綜放工作面開采過程中，上覆巖層呈現(xiàn)明顯三帶分布規(guī)律，周期來壓會出現(xiàn)不規(guī)律現(xiàn)象。黃清鋒等學(xué)者[3]以某礦6303 大傾角綜放工作面開采作為工程背景，采用數(shù)值模擬、相似模擬與理論分析等手段對俯斜大傾角綜放工作面來壓規(guī)律、覆巖破壞特征和應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，研究表明，對老頂和直接頂?shù)钠茐碾S工作面的推進(jìn)而加強，支撐壓力主要影響范圍為30～35 m。經(jīng)坊煤礦3 號煤層地面對應(yīng)位置存在村莊、鐵路等構(gòu)筑物，不遠(yuǎn)處有河流穿過，同時該煤層采用綜放開采，工作面采高較大。該研究有利于該煤層安全高效開采，為相似條件煤層開采提供借鑒。

1 采區(qū)概況

1.1 煤層簡介

經(jīng)坊礦3 號煤層劃分為九個采區(qū)，3806 工作面位于八采區(qū)中部。根據(jù)采區(qū)內(nèi)及周邊鉆孔資料，八采區(qū)3 號煤層厚度為5.72～6.70 m，平均6.2 m 左右，煤層南高北低，傾角4°～10°，煤層底板標(biāo)高為+520～ +555 m，地面標(biāo)高為+970.1～ +951.9 m，埋深410～430 m。煤層屬于低灰-中高灰，特低硫-低硫，中低發(fā)熱量-特高發(fā)熱量貧瘦煤、貧煤類煤層。八采區(qū)3 號煤層厚度等值線如圖1。

圖1 3 號煤層等值線圖

1.2 工程地質(zhì)

該煤層3806 工作面頂板巖層屬于較為穩(wěn)定性巖層，其中老頂一般為中粒砂巖，厚度變化較大，灰色，薄至中厚層狀。直接頂板巖性為粉砂巖、細(xì)粒砂巖或中粒砂巖。中粒砂巖：灰色，薄層狀，視密度2579 kg/m3，含水率0.94%，自然抗壓強度為43.2 MPa，抗拉強度為1.42 MPa，屬半堅硬巖石，軟化系數(shù)0.52，為軟化巖石。偽頂巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖，該砂質(zhì)泥巖：灰黑色，薄-中厚層狀，視密度2581～2923 kg/m3，含水率0.65%～1.33%，自然抗壓強度為16.2～50.4 MPa，抗拉強度為1.05～2.06 MPa，屬軟弱巖石；軟化系數(shù)0.57～0.60，為軟化巖石。具體情況見表1。

表1 巖層參數(shù)

1.3 回采工作面布置與采煤方法

1.3.1 回采工作面布置

根據(jù)礦井開拓布置及煤層賦存特點、工作面運輸、通風(fēng)需要，3806 工作面開切眼沿上村保護(hù)煤柱線布置，沿3 號煤層底板布置工作面運輸順槽、回風(fēng)順槽，兩順槽通過八采區(qū)軌道、運輸巷與西二集中軌道、運輸大巷連接，形成3806 工作面生產(chǎn)系統(tǒng)。工作面回風(fēng)通過八采區(qū)回風(fēng)巷進(jìn)入北翼總回風(fēng)巷。其中，運輸順槽擔(dān)負(fù)工作面煤炭運輸，兼進(jìn)風(fēng)；回風(fēng)順槽擔(dān)負(fù)工作面輔助材料運輸，兼回風(fēng)。工作面推進(jìn)方向為自西向東。

1.3.2 采煤方法

經(jīng)坊礦3 號煤層采用綜采放頂煤工藝已安全開采了七采區(qū)和八采區(qū)的3803、3807 等工作面。生產(chǎn)實踐證明，3 號煤層采用綜采放頂煤采煤工藝是成熟可行的。因此，3806 工作面仍采用長壁采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，工作面采用MG300/700-WD型雙滾筒電牽引采煤機，正常割煤時，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，割落煤炭由滾筒螺旋葉片裝入前刮板輸送機，少量煤由刮板輸送機鏟煤板裝入前刮板輸送機內(nèi)，極少量散落在支架與前刮板輸送機間的浮煤，由人工裝入前刮板輸送機，工作面采煤機割下的底煤和支架放下的頂煤分別由前后兩部刮板輸送機運至端頭卸載，經(jīng)轉(zhuǎn)載機由膠帶機運出。

3806 工作面煤層頂煤冒放性較好，綜合回收率可達(dá)93%，高于同類型工作面。該工作面長度為217 m，截深為0.8 m，采高為3.0 m，放煤高度為3.25 m（開采厚度為6.25 m），采放比為1:1.08。

2 上覆巖層運移及應(yīng)力規(guī)律理論

2.1 上覆巖層運移規(guī)律理論

隨著煤層逐漸采出，工作面出現(xiàn)了大量采空區(qū)。在礦山壓力作用下，出現(xiàn)上覆巖層垮落、破斷、變形等現(xiàn)象。錢鳴高院士[4]提出的砌體梁理論很形象地解釋了煤層開采過程中上覆巖層的運移特征。綜放開采一般會形成垮落帶、裂隙帶以及彎曲變形帶；但當(dāng)?shù)V壓現(xiàn)象嚴(yán)重時，有可能上覆巖層只出現(xiàn)“兩帶”。

3 號煤層地面對應(yīng)位置為太焦鐵路以東，青龍溝以西，大溝村以南，北呈鄉(xiāng)以北。地面村莊和建（構(gòu)）筑物有青龍溝、北呈鄉(xiāng)、上村、大溝村、陶清河、S227 線（長晉線）等，由于煤層埋深屬于淺中埋深，開采高度較大，對地表構(gòu)筑物影響較大，因此重點研究上覆巖層運移規(guī)律。

根據(jù)已有理論，可以采用概率積分法計算地表各變形移動值，通過變形求得各變形及曲率最大值的計算公式，具體如下：

公式（1）為最大下沉值計算公式，（2）為最大曲率計算公式，（3）為最大傾斜值計算公式，（4）為最大水平變形計算公式。

式中：r為影響半徑，mm；η為下沉系數(shù)；α為煤層傾角，（°）；m為法線采高，mm；H為開采深度，m；B為水平移動系數(shù)；β為影響角，（°）；w為最大下沉值，mm；k為最大曲率值，1/m；T為最大傾斜值，mm/m；ε為最大水平變形，mm/m。

2.2 上覆巖層應(yīng)力規(guī)律理論

由于3 號煤層埋深不大，初始應(yīng)力可用以下公式：

垂直應(yīng)力用公式（5）計算，水平應(yīng)力使用（6）公式計算。

式中：γi為巖層體積力，N/m3；hi為各巖層厚度，m；λ為側(cè)壓力系數(shù)；σz為垂直應(yīng)力，Pa；σx和σy為水平應(yīng)力，Pa。

隨著煤層采出，原始應(yīng)力發(fā)生變化，采空區(qū)周圍巖石應(yīng)力重新分布，煤壁前方將出現(xiàn)超前支撐壓力、應(yīng)力增大的現(xiàn)象。采空區(qū)上覆巖層將被前方煤層以及垮落的巖石支撐，形成如馬資敏學(xué)者[5]所描述的采空區(qū)頂板結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 煤層綜放采場頂板結(jié)構(gòu)模型

3 上覆巖層運移及應(yīng)力規(guī)律數(shù)值模擬

回采工作面長度為217 m，推進(jìn)長度為1186 m，高度為150 m，為了消除邊界影響，采空區(qū)前后左右各留30 m 邊界煤柱。模型尺寸為長×寬×高=1246 m×277 m×116 m。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，模型四周約束水平方向移動，底邊固定，頂部為自由面，僅模擬部分推進(jìn)距離對上覆巖層的影響。模型具體如圖3。

圖3 初始模型

由于上覆巖層運移及應(yīng)力規(guī)律和煤層開采程度具有重要關(guān)系，因此模擬工作面不同開采距離時上覆巖層以及應(yīng)力影響。不同推進(jìn)距離對上覆巖層垂直應(yīng)力影響如圖4（a）～4（d）。

圖4 不同推進(jìn)距離垂直應(yīng)力

工作面不同推進(jìn)距離時上覆巖層總體位移具體如圖5（a）～5（d）。

圖 5 不同推進(jìn)距離時總體位移

4 結(jié)論

（1）隨工作面推進(jìn)，上覆巖層位移逐漸增大，最大位移出現(xiàn)在采空區(qū)中部。工作面推進(jìn)到140 m時，最大位移達(dá)到89.8 cm。

（2）隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層垂直應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力沿著采空區(qū)呈對稱分布，最大應(yīng)力出現(xiàn)在煤壁前方及工作面兩端，應(yīng)力集中系數(shù)為1.78。

（3 當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m 后，上覆巖層位移以及垂直應(yīng)力的增加將顯著加快。